JP4283219B2 - 振動機器、特に電動歯ブラシの共振周波数及び／又は振幅を決定するためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、電動歯ブラシ等の振動機器の共振周波数及び／又は振幅の決定に関し、より詳細には、このような決定を達成するために別個のセンサを必要としないこのようなシステムに関する。

電動歯ブラシを含む多くの小さい機器において見られるような共振振動システムにおいては、適切で効率的な動作のためには、駆動周波数が、システムの固有共振周波数に非常に近いことが重要である。しかし、このような共振周波数システムの動作は、デバイスへの負荷（例えば電動歯ブラシのブラシヘッドの負荷）の変化、電源即ちバッテリの動作状態の変化、及び、エージング又は他の原因によるデバイスの種々の部品のパフォーマンスの変化を含む動的な動作因子によって大きく影響を受けうる。例えば、システムの共振周波数及びデバイスワークピース（例えばブラシヘッド）の運動の振幅は、このような変化によって影響を受けうる。

デバイスの駆動周波数とシステムの固有共振周波数との間の近い一致を達成し、且つ、上記のような動作中の変化に関わらずデバイスのパフォーマンスを維持するための方法のうちの１つは、システム部品の許容誤差を厳しくコントロールすることである。しかし、この手法は、高価であり、また、システム内の変化に対して、当該変化が動的（短期的）なもの（負荷の変化等）であるか、又は、より永久的／長期的なもの（部品のエージング等）であるかによらず、補償する機能を提供しない可能性がある。

代わりの手法は、デバイスの動作中にデバイスの実際の動作周波数及び／又はワークピースの運動の振幅を読み取って、即ち決定して、それに従って駆動信号の周波数及びパワーを調整する検出システムを使用するというものである。米国特許第５，６１３，２５９号は、このような手法の実例である。しかし、’２５９号の手法は、デバイスのパフォーマンスをモニタしてこれに従って駆動信号を補正／変更する信号を供給するために、別個の検出システムを必要とする。別個の検出システムは、デバイスに費用を加算し、更に複雑さも加える。

従って、別個の検出素子を必要とすることなく動作周波数及び振幅の決定をすることができる検出システムを得ることが望ましい。

従って、本発明は、ステータ部と、アーマチュア部と、駆動信号を前記ステータ部に供給するための回路とを備えた駆動アセンブリを有する歯ブラシ等の振動機器の共振周波数及び／又は振幅を決定するためのシステムにおいて、前記駆動アセンブリの前記ステータ部から前記駆動信号を選択された期間一時的に遮断して、前記駆動信号の遮断に続いて、前記アーマチュアの続行する運動によって、誘導される信号の周波数及び／又は振幅が決定されることができるのに充分な当該信号が前記ステータに誘導されるようにするための制御回路と、（１）前記誘導された信号の前記周波数と（２）前記誘導された信号の前記振幅とのうちの少なくとも１つを決定するための測定回路であって、前記誘導された信号は、前記機器の動作に関する有用な情報を提供する、測定回路とを有するシステムと、これに対応する方法に関する。

本発明は、駆動信号が印加されるステータコイルを備えたモータアセンブリと、前記ステータコイルを通じて流れる前記駆動信号に応答して運動又は回転するアーマチュアとを含む、電動歯ブラシ等の小さい機器用の共振動作／駆動システムにおいて用いられる。ワークピース、即ちブラシヘッドは、アーマチュアの端又はアーマチュアによって駆動されるシャフトに取り付けられる。典型的には、駆動信号は、アーマチュアの所望の運動を生じる方形波又は正弦波の形を取る。

本発明においては、一般的に、ステータに印加される駆動信号は、短い時間、事前に選択された間隔（典型的には１サイクル）で遮断される。しかし、減衰が不十分であるか又は減衰がされていないシステムにおいては、アーマチュアは、駆動信号が遮断された後に動き続ける。アーマチュア及びその上の磁石の運動は、ステータコイルに逆起電力を誘導する。高いＱのシステムについては、駆動信号が方形波であるときには、この誘導された信号は正弦波に近い。誘導された信号は、ワークピース運動の周波数及び振幅の近い表示である。従って、誘導された信号によって、デバイスの動作に関する正確な情報が提供される。駆動信号が遮断されると、「読取り」回路がステータコイルに接続される。駆動信号がステータコイルから遮断又は切断される時間の最中にステータコイルに誘導し戻される信号は、周波数及び／又は振幅について読取りデバイスによって測定され、場合によっては、下記のような追加情報が信号から得られる。誘導された信号の周波数及び／又は振幅は、種々の手法で決定されることができる。しかし、これらの値は、別個の検出素子又は部材の必要性無しに決定される。なぜなら、モータアーマチュア及びステータはデバイス自身の一部だからである。

信号の周波数及び／又は振幅は、次に、周波数及び振幅の所定の値と比較される。次に、これらの差が、駆動信号の周波数及び／又は振幅を調整してこの駆動信号の周波数／振幅をシステムの実際の共振周波数／所望の振幅と一致させるのに用いられることができる。これは、動的な修正システムである。これは、そのパフォーマンスに影響を及ぼすことなくデバイスの部品の許容動作誤差の緩和を可能にする。なぜなら、これらの差は駆動信号の周波数／振幅を調整することによって適応されることができるからである。

本発明のシステムの１つのアプリケーションは、電動歯ブラシである。しかし、本発明は、他の小さい機器を含む他のアプリケーションにおいて、更に、駆動周波数と被駆動デバイスの固有共振周波数との関係が適切で効率的な動作にとって重要である他のシステムにおいて、用いられることができる。電動歯ブラシに関連して、駆動システムは、一般的に何らかの種類のモータを伴う。モータは、例えば米国特許第５，３７８，１５３号及び５，１８９，７５１号に示されるような、ｅ字形の駆動コイルと、後方端に永久磁石が配置されたピボットレバーアームとを伴う電磁気デバイスであってよい。また、このモータは、ステータコイル及び選択された円弧の範囲で回転するアーマチュア（駆動シャフト）を伴う回転モータであってもよい。基本的には、このような種々のシステムは、駆動信号によって供給される電気エネルギーを機械的なワークピースの運動に変換する用語「電気機械トランスデューサ」によって一般的に特徴付けられることができる。

通常、本発明の用途に適したデバイスは、駆動信号が印加されるステータコイル及びこのステータコイルの影響下で運動するアーマチュアを含む。アーマチュアの自由端又はその延長部には、歯ブラシのブラシヘッド等のワークピース要素が固定される。

本発明のシステムは、図１に１つの実施例で示されており、図２は、本システムによって実行される具体的なステップを示している。

図１は、バッテリ電源１２と、デバイスの機械的オンオフスイッチ（図示せず）とは異なる駆動遮断回路／スイッチ１４とを含むブロック形式の一般化されたシステムを示す。バッテリ１２は、電力を駆動信号回路１３に供給し、この回路は、コントローラ１８の動作によって遮断回路１４を通じて電気機械トランスデューサ（モータ）１６のための駆動信号を生じる。トランスデューサ１６は、一般的に２０で表される出力アセンブリを含み、この出力アセンブリは、その上で運動するためのワークピースを含む。出力アセンブリは、例えば、電動歯ブラシについてはブラシヘッドアセンブリであってよい。

電気機械トランスデューサ１６は、多くの実施例を有することができ、これは、’１５３号及び’７５１号特許に示されるようなコイル／永久磁石装置、コイル／インダクタ装置、圧電トランスデューサ及び静電駆動アセンブリを含む。通常、トランスデューサ１６は、デバイスオンオフスイッチによって起動されると、タイミングデバイス（示さず）又はデバイスオンオフスイッチによる停止によって遮断させられるまで動作する。電気機械トランスデューサ１６は、共振動作システムの一部である。これは、回路１３からの駆動信号に応答してワークピースが往復運動を生じるよう動作する。共振システムは、駆動周波数がシステムの固有共振周波数とほぼ等しくなるように設計される。しかし、種々の理由のため、固有共振周波数は、実際には駆動周波数とは異なる可能性がある。例えば、部品の違い又は機器の使用の最中に起こる動的な変化のためである。本発明において、駆動信号遮断回路１４は、駆動信号回路１３の電池と電気機械トランスデューサ１６との間に配置される。駆動信号遮断回路１４は、制御回路１８の制御の下で電気機械トランスデューサのステータコイルに印加される駆動信号を遮断するように設計される。遮断は、４分の１サイクルでも十分かもしれないが、典型的には、通常半サイクルから１サイクルという短い時間持続し、具体的なアプリケーション及び誘導された信号に対して得られるべき情報に応じてより長くてもよい。遮断は、誘導された信号の周波数及び／又は振幅が決定されるのに十分でなければならない。駆動信号の遮断は、コントローラ１８のタイマによって制御される選択された間隔で起こることができる。間隔、即ちサンプリングレートは、大きく変化することができるが、歯ブラシのアプリケーションについては典型的には毎秒３〜１０回であってよい。これは、温度、ブラシの磨耗及びブラシのエージング等の条件に対して補償がなされるならば、より低い頻度であってもよく、１回の使用あたり１回でさえもよい。これは、ブラシ圧等の条件に対しては、ブラシのパフォーマンスが大きく影響されない限りより頻繁であってもよい。

コントローラ１８がトランスデューサ１６のステータ部分への駆動信号を遮断すると、減衰されていない又は減衰が十分でないシステムにおいては、そのアーマチュア部は典型的には運動し続け、バックＥＭＦ信号がステータコイルにおいて作られるという結果を生じる。システムが過剰に減衰されていると、本発明は、通常使用されない。なぜなら、誘導された信号は、あったとしても、デバイスの動作中の運動を表示するものとはならないからである。

駆動信号が遮断されると、検出素子２４は、ステータ部材に動作的に接続される。検出器２４は、アーマチュアの運動によりステータコイルに誘導された信号を読み取る。信号が得られたら、誘導された信号の周波数及び／又は誘導された信号の振幅、又は得られる他のパフォーマンス情報について決定がなされる。信号の周波数は、種々の従来の方法で決定されることができる。これらは、異なった「単一点」技術、即ち、誘導された単一の波形の単一点の評価を含み、これは、従来のゼロクロッシング、ピーク値、基準電圧（選択された電圧レベル）クロッシング回路又は類似したスロープ回路を含む。これらの回路は全て、所与の波形についての周波数決定でよく知られているので、ここでは詳細に説明されない。

検出器電流２４は、そのピーク値を単純に決定することによってステータコイルの誘導された信号の振幅を読み取ることも可能である。一部の実施例においては周波数のみが決定される一方で、他の実施例においては周波数及び振幅の両方が決定される。

代替的には、検出器によって得られるアナログデータがデジタル値に変換されることができる。このときデジタルデータは、減衰時間及びシステムＱを含むパフォーマンスに影響を及ぼす信号減衰因子について評価されることができる。このような評価は、システムの実際の動的な動作に関する追加情報を与える。波形全体がデジタル化され、次に正弦波基準信号に対して「フィット」され、誘導された信号に関する特定の情報を与えることができる。この情報は、振幅情報、信号の減衰された発振器の角速度、更にはシステムのＱ及び減衰時間を含む。

検出器２４又は、マイクロプロセッサを含む制御回路１８は、次に、動作中、ステータコイルからの誘導された信号を、予め選択された所望の周波数及び／又は振幅、又はデジタル化された波形に対して比較する。次に、このように決定されたあらゆる差は、回路１３からの駆動信号の動作周波数／振幅又は場合によっては他の特性を変更するのに用いられる。このことにより、駆動信号とデバイスの実際の動作との間で、周波数、振幅及び他のパフォーマンス値、例えば減衰に関して、より近いマッチが生じる。次に、遮断回路１４は、無効化され、修正された駆動信号は再びトランスデューサ（モータ）１６のステータ部に接続される。例えば、駆動信号周波数は、その時点におけるシステムの実際の固有共振周波数に適合するよう変更されることができる。更に、駆動信号の振幅は、ワークピース、例えばブラシヘッド２２の所望の振幅の運動を生じるように変更されることができる。

図２は、上述されたシステムによって実行される方法の一連のステップを示す。最初に、周波数調整の例については、ブロック３０に示されるように、デバイスの初期駆動周波数が（例えば工場における試験中に）決定される。一例として、２６１Ｈｚの固有共振周波数を有する歯ブラシについては、駆動周波数が、デバイスの目標固有共振周波数に対して少なくとも１５Ｈｚ以内であるように選択される。次のステップでは、ブロック３２で、トランスデューサ、即ちモータアセンブリは、最初のうちに、選択された期間の間駆動され安定化を許可される。上記の歯ブラシについては、１５０ミリ秒は、安定化時間として充分である。初期駆動周波数は、一般的に、システムの所望の共振モードの共振周波数の５〜１０％以内に選択される。この周波数は、所望の共振モードを著しく起こさせるのに十分なほど近くなければならない。初期周波数があまりに外れていると、振幅ゲインがほとんど又は全く起こることができず、ステータには、あったとしても小さい信号しか誘導されない。

次のステップでは、ブロック３４で示されるように、選択された期間の間、例えば１サイクルの間、駆動信号は遮断される。次のブロック３６において、誘導された信号について測定がなされる。本実施例においては、測定は、周波数を含むが、振幅、又は他の因子（システムのＱ若しくは減衰等）を含んでもよい。これらのアナログ測定値は、標準値に対して比較されてあらゆる差が決定されてもよく、又は、アナログ値は比較のためデジタル値に変換されることができ、この比較は、完全な誘導された波形の１つ又は複数のサイクルと、所定の値又は波形との比較を含む。

次に、駆動信号がデバイスの動作とより近く一致するように、例えば駆動信号の周波数がデバイスの固有共振周波数に一致するように、比較から得られる差は、駆動信号の特性を変化させるのに用いられる（ブロック４０）。駆動信号の振幅も、所望のワークピース振幅を得るように調整されることができる。

上記のステップは、システムパフォーマンスの恒常的な更新を保証するために規則的な間隔で繰り返される。上記のシステムの利点は非常に大きい。なぜならば、システムパフォーマンスに応じて駆動信号に調整を加える単純で信頼性のある手段を提供することに加えて、別個の検出素子を必要としないからである。また、個々の部品についての製作公差が大幅に緩和されることができる。更に、回路を駆動するための正確なクロック（高品質の水晶又はセラミック共振子を必要とする）又は非常に正確に製造されるブラシヘッド部材の必要性が最早なくなる。これは、機器のコストを削減する。更に、駆動信号の遮断が十分に長ければ、これはユーザによって検出されることができ、このことは、システムの特別な動作の確認を提供する。

説明のために、好適な実施例が開示されたが、種々の変更、修正及び置換が、特許請求の範囲によって規定される本発明の精神から逸脱することなく実施例に組み込まれることができることが理解されるべきである。

本発明のシステムの全体的なブロック図である。 本発明によって実行される方法のステップを示すブロック図である。

Claims (9)

1. ステータ部と、アーマチュア部と、駆動信号を前記ステータ部に供給するための回路とを備えた駆動アセンブリを有する歯ブラシ等の振動機器の振幅を決定するためのシステムにおいて、
   前記駆動アセンブリの前記ステータ部から前記駆動信号を選択された期間一時的に遮断する制御回路であって、前記駆動信号の遮断に続いて、前記アーマチュア部の続行する運動によって、誘導される信号の振幅が決定されることができるのに充分な当該信号が前記ステータ部に誘導されるように前記選択された期間が充分に長いように構成される、制御回路と、
   前記誘導された信号の前記振幅を決定するための測定回路であって、前記誘導された信号は、前記機器の動作に関する有用な情報を提供する、測定回路と、
   を有するシステム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記測定された信号の前記決定された振幅を所定の値に対して比較して、これらの間の差を決定し、前記駆動信号を前記差に従って変更するための比較回路を含むシステム。
3. ステータ部と、アーマチュア部と、駆動信号を前記ステータ部に供給するための回路とを備えた駆動アセンブリを有する歯ブラシ等の振動機器の共振周波数を決定するためのシステムにおいて、
   前記駆動アセンブリの前記ステータ部から前記駆動信号を選択された期間一時的に遮断する制御回路であって、前記駆動信号の遮断に続いて、前記アーマチュア部の続行する運動によって、誘導される信号の周波数が決定されることができるのに充分な当該信号が前記ステータ部に誘導されるように前記選択された期間が充分に長いように構成される、制御回路と、
   前記誘導された信号の前記周波数を決定するための測定回路であって、前記誘導された信号は、前記機器の動作に関する有用な情報を提供する、測定回路と、
   前記測定された信号の前記決定された周波数を所定の値に対して比較して、これらの間の差を決定し、前記駆動信号を前記差に従って変更するための比較回路と、
   を有するシステムであって、前記周波数の測定はピーク検出回路を用いて達成される、システム。
4. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記制御回路は、前記振動機器の動作中、所定の間隔で前記駆動信号を遮断する、システム。
5. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記誘導された信号のアナログ測定された情報をデジタル情報に変換するためのアナログデジタル変換器と、前記デジタル情報から減衰特性及び前記機器のＱを決定するための回路とを含むシステム。
6. 請求項２に記載のシステムにおいて、前記誘導された信号のアナログ測定された情報をデジタル情報に変換して、正弦波信号を生じさせ、そして、前記正弦波信号を所定の正弦波と比較して、前記機器の所望なパフォーマンス情報を与えるように構成されるアナログデジタル変換器を含むシステム。
7. 前記機器は歯ブラシである、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のシステム。
8. ステータ部と、アーマチュア部と、駆動信号を前記ステータ部に印加するための回路とを備えた駆動アセンブリを有する振動機器の振幅を決定するための方法において、
   前記駆動信号の前記ステータ部への前記印加を、少なくとも前記駆動信号の半サイクルである選択された期間遮断し、前記駆動信号の遮断に続いて、前記アーマチュア部の運動から前記ステータ部に信号が誘導されるようにするステップと、
   前記誘導された信号の振幅を決定するステップであって、前記誘導された信号は、前記機器の動作に関する有用な情報を提供する、ステップと、
   前記決定された振幅を所定の値と比較して、これらの間の差を決定するステップと、
   前記差に従って前記駆動信号の振幅を変化させるステップと、
   を有する方法。
9. ステータ部と、アーマチュア部と、駆動信号を前記ステータ部に印加するための回路とを備えた駆動アセンブリを有する振動機器の共振周波数を決定するための方法において、
   前記駆動信号の前記ステータ部への前記印加を、少なくとも前記駆動信号の半サイクルである選択された期間遮断し、前記駆動信号の遮断に続いて、前記アーマチュア部の運動から前記ステータ部に信号が誘導されるようにするステップと、
   前記誘導された信号の周波数を決定するステップであって、前記周波数はピーク検出回路を用いて決定される、ステップと、
   前記決定された周波数を所定の値と比較して、これらの間の差を決定するステップと、
   前記差に従って前記駆動信号の駆動周波数を変化させるステップと、
   を有する方法。

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